DE3207045A1

DE3207045A1 - Unterlage mit einem gehalt an teilchenfoermigem glas zum elektronenstrahlbohren

Info

Publication number: DE3207045A1
Application number: DE19823207045
Authority: DE
Inventors: John Joseph 06480 Portland Conn. Brennan; Lester Warren 02910 Cranston R.I. Jordan
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1982-09-23
Also published as: GB2093828B; DE3207045C2; US4378481A; JPH0325271B2; GB2093828A; JPS57154383A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Unterlagen für das Elektronenstrahlbohren, und zwar insbesondere auf die Eigenschaften des darin enthaltenen keramischen teilchenförmigen Stoffs.

Beim Elektronenstrahlbohren ist ein Material oder eine sogenannte Unterlage an der Oberfläche des Werkstücks erforderlich, die von der Elektronenstrahlquelle abgewandt ist. In Abwesenheit einer Unterlage kann ein die Austrittsoberfläche durchquerender Strahl eine andere Oberfläche des Werkstücks treffen. Noch wichtiger aber ist, daß ein durch das Werkstück gebohrtes Loch eine schlechte Form aufweisen kann. Die Unterlage besitzt zwei Funktionen, nämlich die Absorption oder Verteilung überschüssiger Elektronenstrahlenergie und die Erzeugung eines Gasdrucks beim Auftreffen des Elektronenstrahls. Der Druck muß ausreichen, das geschmolzene Material des Werkstücks aus dem gerade gebohrten Loch auszupressen, und zwar in einer Richtung entgegengesetzt derjenigen, mit der der Strahl kommt. Diese Wirkung ergibt ein gut geformtes symmetrisches Loch.

Bei Präzisionsanwendungen reicht es nicht aus, daß das Loch gut geformt ist. Es ist auch nötig, daß eine möglichst dünne Schicht an geschmolzenem und wiederverfestigtem Metall entlang der Bohrung des Lochs vorhanden ist. Außerdem ist es erwünscht, daß im Loch möglichst wenig Rückstand aus der Unterlage zurückbleibt, da dieser unter Umständen schwierig zu entfernen ist und wegen seiner Eigenschaften beim tatsächlichen Gebrauch unerwünscht sein kann.

Das doppelte Erfordernis einer Dauerhaftigkeit unter der Wirkung des Elektronenstrahls (um andere Teile des Werkstücks oder der Halterung zu schützen) und einer qeregel-

ten Zersetzung (um den nötigen Gasdruck zu erzielen) machen es nötig, daß die Zusammensetzung der Unterlage sorgfältig gewählt wird. In der US-PS 3 649 806 ist eine Unterlage mit einer vorgebildeten Metall- und Keramikzellenstruktur, die flüchtige Materialien enthält, bekannt. Die US-PS 4 239 954 beschreibt Unterlagen, bei denen ein keramischer teilchenförmiger Stoff in einem verflüssigbaren Binder enthalten ist. Die als brauchbar erwähnten teilchenförmigen Stoffe ■ umfassen Metallegierungen, feine Glasperlen, Glasfritten, geschmolzenes Siliciumdioxid, und Aluminiumoxid-, Calciumoxid-, Magnesiumoxid-, Siliciumdioxid- und Zirconiumdioxidpulver. Soda-Kalk-Glas wird als besonders brauchbares Beispiel erwähnt. Die genannten Binder umfassen Natriumsilicat, Siliconkautschuk, Epoxyharze, Wachse' und Polyvinylalkohol.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit neuen teilchenförmigen Stoffen, welche in solche Unterlagen einverleibt werden können. Man hat gewußt, daß die Unterlage gewisse Eigenschaften besitzen soll, nämlich die oben erwähnte Flüchtigkeit und Dauerhaftigkeit. Es war jedoch nicht bekannt, wie diese Eigenschaften am besten durch die einzelnen Beiträge des teilchenförmigen Stoffs und des Binders erhalten werden könnten. In der bereits erwähnten US-PS 4 239 954 ist angegeben, daß die Eigenschaften des Binders oftmals weitgehend durch die Leichtigkeit bestimmt werden, mit der die Unterlage auf das Werkstück aufgebracht und von diesem entfernt werden kann. Es wird erwähnt, daß eine Anzahl von teilchenförmigen Stoffen bei den bekannten Verfahren brauchbar waren, aber zwischen diesen verschiedenen teilchenförmigen Stoffen wurde kein großer Unterschied gemacht. Es wird erwähnt, daß gemäß dem Stande der Technik teilchenförmige Metalle verwendet wurden, daß aber im allgemeinen keramische Materialien wegen der niedrigen Kosten, der verhältnismäßig großen Inertheit und ihrer Feuerfestigkeit, die beim Abbrechen des Strahls eine Rolle spielt, bevorzugt wurden. In der vorbekannten Literatur sind aber keine Lehren

enthalten; welche eine Auswahl unter den keramischen Stoffen ermöglichten. Glas der Soda-Kalk-Type wird hauptsächlich wegen seiner allgemeinen Verfügbarkeit und seiner niedrigen Kosten bevorzugt. Die Eigenschaften von teilchenförmigen Stoffen wurden nunmehr genauer untersucht und haben zum Auffinden von sehr nützlichen teilchenförmigen Gläsern geführt, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit einer US-Anmeldung gleicher Priorität»Alkali Metal Oxide Free Backers for Energy Beam Drilling" von J. Brennan.

Ziel der Erfindung war die Schaffung einer Unterlage, die bei der Herstellung eines gut geformten Bohrlochs äußerst nützlich ist. Insbesondere war es Ziel der Erfindung, eine Unterlagenzusammensetzung zu schaffen, die das Loch sauber formt und eine geringstmögliche geschmolzene und wiederver— festigte Schicht und minimale Mengen Unterlagenrückstand im gebohrten Loch zurückläßt.,

Das erfindungsgemäße Unterlagenmaterial enthält einen Binder und teilchenförmiges Glas, wobei das teilchenförmige Glas mindestens 7 Gew.-% eines "Niedertemperaturbestandteils" enthält und im übrigen aus einem "Hochtemperaturbestandteil" besteht. Der Niedertemperaturbestandteil verwandelt sich teilweise in ein Gas, während der Hochtemperaturbestandteil sich vorwiegend in eine Flüssigkeit verwandelt, wenn der in der Unterlage enthaltene teilchenförmige Stoff von einem Energiebohrstrahl, wie z.B. einem Elektronenbohrstrahl, getroffen wird. Wenn weniger als ungefähr 7 Gew.-% Niedertemperaturbestandteil vorhanden sind, dann entsteht eine allzu dicke geschmolzene und wiederverfestigte Schicht und bildet sich ein blasig aussehender Rückstand im Bohrloch.

Für die Verwendung bei einer Legierung auf Nickelbasis besitzt der Niedertemperaturbestandteil des teilchenförmigen

Glases einen Dampfdruck von mehr als 1 at bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 2OOO°C, während der Hochtemperaturbestandteil einen Schmelzpunkt von mehr als ungefähr 150O⁰C aufweist. Es ist erwünscht, daß das Glas einen Erweichungspunkt von mehr als 7OO°C, vorzugsweise mehr als 800⁰C und insbesondere 800-1000⁰C, aufweist. Ein brauchbares Glas für die Erfindung besitzt eine Viskosität in der Größenordnung von 10 Pa-s (1 Pa*s = 10 Poise) oder mehr, wenn es schmilzt, im Gegensatz zu den niedrigeren Viskositäten von geschmolzenen kristallinen keramischen Stoffen, wie z.B. Aluminiumoxid.

In den bevorzugten Oxidgläsern besteht der Hochtemperaturbestandteil aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und Bariumoxid, während der Niedertemperaturbestandteil aus Natriumoxid und Boroxid besteht. Vorzugsweise ist das Glas ein Silicat und enthält Calciumoxid und Boroxid. Die besseren Gläser enthalten, ausgedrückt in Gew.-%, mindestens 8Al₂O-, 4MgO, 9CaO und 3B₂O,.

Die teilchenförmigen Gläser der erfindungsgemäßen Unterlagen können in Kombination mit den verschiedensten Bindern verwendet werden, die aus der Technik bekannt sind, da die Funktion der Binder in erster Linie darin liegt, die Glasteilchen an Ort und Stelle festzuhalten. Der Binder trägt verhältnismäßig wenig zur Formgebung des Bohrlochs bei, wenn die hier genannten teilchenförmigen Gläser in den Unterlagen verwendet werden.

Die neuen Gläser ergeben eine wesentlich bessere Form des Bohrlochs als andere keramische Materialien. Sie können leicht formuliert werden und ergeben beim Gebrauch keine besonderen Probleme. Sie eignen sich besonders für das Elektronenstrahlbohren von Legierungen auf Nickelbasis, eignen sich aber auch für andere Energiestrahlverfahren, wie z.B. Laserstrahlbohren, und auch im Zusammenhang mit anderen Werkstückzusammensetzungen .

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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. , ,

In den Zeichnungen zeigen:

Figuren 1 und 1A einen Querschnitt durch ein schlecht ausgebildetes Elektronenstrahlbohrloch;

Figuren 2 und 2A einen Querschnitt durch ein gut ausgebildetes Bohrloch;

Figur 3 eine graphische Darstellung der thermischen Eigenschaften der Glasbestandteile; und

Figur 4 eine graphische Darstellung bevorzugter Eigenschaften des teilchenförmigen Glases.

Die vorliegende Erfindung wird anhand des Elektronenstrahlbohrens von Legierungen auf Nickelbasis beschrieben, aber es ist klar, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Materialien und in Zusammenhang mit anderen Energiestrahlbohrverfahren brauchbar ist.

Bei der Herstellung einer Unterlage wird ein teilchenförmiger Stoff mit einer Größe im Bereich von 15 bis 200 ^m mit einem Binder gemischt, worauf das Gemisch auf die Austrittsseite eines Werkstücks aufgebracht wird. Wenn der Elektronenstrahl das Werkstück durchdringt, dann trifft der Strahl auf die Unterlage auf und verursacht deren Zersetzung, Bei dieser Zersetzung werden diejenigen Produkte gebildet, die auf das Werkstück einwirken und die Bildung des Bohrlochs unterstützen. Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung der Unterlagen aus teilchenförmigen Stoffen und Binder und des Aufbringens auf Werkstücke können in der bereits erwähnten US-PS 4 239 9 54 gefunden werden. Darin finden sich auch Einzelheiten darüber, wie Bohrlöcher durch

Elektronenstrahlmaschinen gebohrt werden. ·

Testlöcher wurden in ein 2,5 mm dickes Werkstück der gegossenen Superlegierung MAR M2OO+Hf (9Cr, 10Co, 2Ti, 5Al, 12,5W, 1Nb, 0,015B, 0,14C, 2Hf, Rest Ni) gebohrt. Die Löcher hatten einen Durchmesser,von ungefähr 0,5 mm. Die Unterlagen bestanden im allgemeinen aus Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,175 mm. Die Teilchengröße¹ und die Teilchengrößenverteilung wurden kurz untersucht. Es wurde dabei festgestellt, daß sie nicht kritisch sind. Es ist erwünscht, daß im allgemeinen eine Verteilung der Teilchengröße vorliegt, daß die größte Schüttdichte erreicht wird. Dies ergibt einen maximalen Gehalt des teilchenförmigen Stoffs in der Unterlage. Tabelle 1 zeigt die Bohrdaten für teilchenförmige Gläser der Tabelle 2. Tabelle 3 zeigt andere Glaszusammensetzungen.

Die Charakteristiken des gebohrten Lochs wurden in erster Linie auf der Basis der Form der geschmolzenen und wiedererstarrten Schicht und der Menge und der Eigenschaften des im Bohrloch verbliebenen Rückstandsmaterials aus der Unterlage eingestuft. Die Figuren 1 und 1A zeigen einen Querschnitt eines schlecht ausgebildeten Lochs 2O in einem Werkstück 22, welches unter Verwendung einer sich schlecht verhaltenden Unterlage hergestellt worden war, die sich auf der Strahlaustrittsoberfläche 24 befand. Es ist ersichtlich, daß das Loch 20 eine unregelmäßige Form aufweist und daß in ihm eine beträchtliche Menge an wiedererstarrtem Material 26 vorhanden ist. Die wiedererstarrte Schicht besteht aus dem Material des Werkstücks, das unter der Wirkung des Elektronenstrahls geschmolzen ist, aber nicht vollständig aus dem Loch ausgetrieben worden ist. Da diese Schicht sehr rasch abgeschreckt worden ist, besitzt sie eine extrem feine Korngröße und kann deshalb metallografisch leicht vom unbeeinflußten Grundmaterial

unterschieden werden.

Tabelle 1

Merkmale von Elektronenstrahlbohrlöchern bei verschiedenen Unterlagen

Ünterlagenzusammensetzung	B.'	Bindung	- ,	Il	.Locheigenschaften	Il	Il	■■	Keramische Phase	Il
Matrix		Natrium-	Polyvinyl	Wiedererstarrte Schicht		dick, ungleich		anwesend
A. Soda-Kalk-	C. Zirconium-	silicat	alkohol	sehr ,dünn,	dünn, gleich	mäßig			Il
Glas	oxid	Magnesium-	Il	gleichmäßig	mäßig
D. Aluminium	chromat		Il			nicht
oxid	Il	Magnesium-		Il
E. 50 Pyrex/		chromat	dick, ungleich
50 Alumi	Il	mäßig	Il
niumoxid
F. E-Glas	Il	Il
G. Vycor-
Glas
H. Geschmol	Il	Il
zenes	Il	Il
Silicium
dioxid	ti ₍	Il
I. Pyrex-Glas
J. E-Glas	■

K. GS-3O2-	dünn, gleichmäßig "
Glas	Il
L. Calcium-
carbonat	sehr dünn,
gleichmäßig
dick, gleich
mäßig

Tabelle 2
Zusammensetzungen der Gläser

Glas	Erweichungs punkt, ⁰C	schätzt	844	Zusammensetzung in Gew.-%	SiO₂	BaO	Al₂O₃	MgO	CaO	Na₂O	B₂O₃
Soda-Kalk	690	908	70			2,5	14	14
PYREX (Coming 7740)	821	970	81		2			4	13
"E" (Ferro)	846	1530	54		14	in	18	0,5	8
GS-302 (Owens 111.)	1580	54		9	8	13		16
7059 (Coming)	49	25	11			<.O,5	15
1723 (Coming)	57	6	15	7	10		4
"S" (Ferro)	65		25	10
VYCOR (Coming 7913)	96		1				3
100 % Silicium dioxid (Coming 7940)	100

Ό .pcn

Tabelle 3
Zusammensetzungen der Gläser

Glas	Erweichungs punkt, ⁰C	■	—	Zusammensetzung in Gew.-%	SiO₂	BaO	Al₂O₃	MgO	CaO	Na20	B₂O₃	Anderes	_	5,5 K₂O
3225 (Ferro)	—	__	65		8,2	0,2	0,3	4,4	22		12 K₂O
3227 (Ferro)	—	--	38		16			14	29	4,1 K₂O	31 PbO 2 K₂O
3291	—	45		13	11	2,1		29		68 PbO
3289 "	--	49	27	5,4			5,5	12
3270	51		8,6		-9,4	8,6	16
3831	43	18	11		12	4,6
3493	45		3/1		4,6	1,5	13
3489	27				5 ,6

CD O Cn

Da sie abgeschreckt worden ist, besitzt die wiedererstarrte Schicht Risse 28. Dieses Merkmal macht eine dicke wiedererstarrte Schicht besonders unerwünscht, da die Risse während des nachfolgenden Gebrauchs sich vergrößern und zu einem Bruch des Werkstücks Anlaß geben können. Es ist außerdem zu sehen, daß im Loch eine Schicht 30 vorhanden ist, die aus keramischem Rückstandsmaterial aus der Unterlage besteht. Diese Schicht besitzt ebenfalls typischerweise Risse. In einem mit einer schlechten Unterlage hergestellten Loch ist diese glasige Schicht dick und ungleichmäßig.

Die Figuren 2 und 2A zeigen ein gut ausgebildetes Bohrloch 20'. Die geschmolzene und wiedererstarrte Schicht 26' und die glasige Schicht sind beide sehr dünn und gleichmäßig. Es hat sich gezeigt, daß die oben erwähnten Risse keinerlei Schwierigkeiten machen, wenn die wiedererstarrte Schicht dünn genug gehalten wird. Typischerweise liegt immer etwas rückständige keramische Phase oder glasige Schicht in gut ausgebildeten Bohrlöchern vor. Dies ist anscheinend eine Eigentümlichkeit, die die erfindungsgemäßen Unterlagen ergeben. Sie ist überhaupt nicht unerwünscht.

Aus Tabelle 1 ist anhand der Tests A und B ersichtlich, daß Soda-Kalk-Glas sowohl mit einem Natriumsilicatbinder (Na₂O^SiO₂) als auch mit einem Magnesiumchromatbinder (MgCrO₄.7H₂O) gute Eigenschaften der Bohrlöcher ergibt. Zirconiumoxid und Aluminiumoxid (C,D) ergeben schlechte Löcher, während der Test E, 'der den Zusatz von Soda-Kalk-Glas zu Aluminiumoxid zeigt,, ein besseres Loch ergibt. Ε-Glas und Pyrex-Glas arbeiten gut, jedoch ist dies bei Vycor und geschmolzenem Siliciumdioxid (1OO %) nicht der Fall. (Pyrex, Vycor, "E" und "S" sind Handelsbezeichnungen der in Tabelle 2 angegebenen Gesellschaften.) Die Ver-

wendung von Polyvinylalkohol anstelle von Magnesiumchromat ergibt hinsichtlich der Locheigenschaften keinen wesentlichen Unterschied, wie dies die Proben P und J zeigen. Calciumcarbonat, Probe L, ergab überhaupt keine rückständige Glasphase, wenn es mit Magnesiumchromat verwendet wurde. Dies wird unten noch näher erörtert. Aus den Daten ist ersichtlich, daß der Binder anders als der teilchenförmige Stoff keinen starken Einfluß auf die Eigenschaften des Lochs ausübt. In Tabelle 2 und Tabelle 3 sind auch andere Gläser aufgenommen, für welche keine Versuche ausgeführt wurden, für welche aber die Verwendbarkeit abgeschätzt werden kann. Um weiter unten angegebene Feststel-· lungen klarzumachen, wird darauf hingewiesen, daß sich der Ausdruck "Glas" auf.ein Material in einem nicht-kristallinen Zustand bezieht, d.h. also, im Zustand eines festen Materials, bei dem eine regelmäßige Anordnung der Atome, die sich in einem regelmäßigen Gitter periodisch wiederholen, fehlt. Ein Glas ist, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ein Feststoff, der durch Abkühlen aus dem flüssigen Zustand erhalten worden ist, wobei bei keiner Temperatur eine Diskontinuität, sondern eine fortlaufende Verfestigung auftritt. Der annähernde Schmelzpunkt eines Glases wird gemäß der üblichen Praxis festgelegt, d.h. also auf den Punkt, bei dem die Viskosität auf ungefähr 10 Pa-s abnimmt. Bei höheren Temperaturen wird ein Glas als flüssig angesehen. Der Hauptunterschied zwischen einer Flüssigkeit und einem nicht-kristallinen Feststoff ist darin zu sehen, daß eine'.Flüssigkeit rasch äußeren Kräften nachgibt, während ein Feststoff dies nicht tut.

Bevorzugt werden beim Bohren von Metallen mit einem Elektronenstrahl Oxidgläser verwendet. -Im allgemeinen gibt es drei Kategorien von Bestandteilen in Oxidgläsern: Glasbildner, Zwischenprodukte und Modifiziermittel. Beispiele für die Kategorie der Glasbildner sind Materialien

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wie SiO₂/ ^Β2°3' ^V2°5' ^st>2°5» Li20, GeO₂ und P2°c· ^Diese Materialien können leicht einen nicht-kristallinen Zustand annehmen. Sie können natürlich auch in einem kristallinen Zustand vorliegen. Zwischenprodukte treten in das Netzwerk eines mehrkomponentigen Glases ein, um brauchbare Materialien zu bilden. Typischerweise besitzen sie eine Bindefestigkeit von mehr als 80 Kcal/Mol. Beispiele für Zwischenprodukte sind Materialien wie ZrO₂, BeO, MgO, Al₂O₃, TiO₂, ZnO und PbO. Modifiziermittel zeichnen sich dadurch aus, daß sie Oxidbindefestigkeiten von weniger als 60 Kcal/Mol besitzen und daß sie nicht in die Netzwerkstruktur des Glases eintreten. Beispiele für Modifiziermittel sind Materialien, die den Glasbildnern zur Formulierung brauchbarer Gläser zugegeben werden. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Gläser von besonderem Interesse hier auf dem Glasbildner SiO₂ basieren. Das Hauptzwischenprodukt ist A1₂O3, während die anderen Materialien Modifiziermittel sind.

Aus den Tabellen ist ersichtlich, daß die feuerfesten kristallinen Materialien Zirconiumoxid und Aluminiumoxid schlechte Resultate ergeben. Sie lassen eine dicke und ungleichmäßige wiedererstarrte Schicht zurück. Da Zirconiumoxid und Aluminiumoxid kristallin sind, besitzen sie feste Schmelzpunkte. Wenn sie außerdem geschmolzen sind, dann besitzen sie eine ziemlich niedrige Viskosität in der Größenordnung von 0,1 Pa«s, das bedeutet eine ähnliche Fließfähigkeit wie Wasser. Calciumcarbonat ergab ebenfalls kein gutes Bohrloch und neigte darüber hinaus zur Zurücklassung keiner wesentlichen glasigen Phase im Bohrloch. Unter der Wirkung des Strahls zersetzt sich Calciumcarbonat vermutlich in Calciumoxid und Kohlendioxid. Es ist ersichtlich, daß Vycor-Glas und geschmolzenes Siliciumdioxid nicht wirksam arbeiten, da sie im Loch dicke und ungleichmäßige glasige kerami-

IS yr -

sehe Schichten zurücklassen. Vycor- und zu 100 % aus Siliciumdioxid bestehende Gläser sind durch hohe Viskositäten in der Größenordnung von 10 Pa-s ausgezeichnet, wenn sie bei ungefähr 14OO°C geschmolzen sind. Im allgemeinen besitzen die am besten arbeitenden Gläser/ welche ein Element wie Al, Mg, Ca und Ba enthalten, Viskositäten in der Größenordnung von 10 Pa-s, wie dies durch die niedrigeren Erweichungspunkte der Gläser in Tabelle 2 angedeutet ist. ,

Es läßt sich deshalb sagen, daß die brauchbaren teilchenförmigen Gläser Erweichungspunkte von mehr als 700⁰C und insbesondere zwischen 800 und 1000⁰C aufweisen. Natürlich sind die Erweichungspunkte nicht nur Indikatoren für die Unterschiede in den Bestandteilen und in der Zusammensetzung, sondern auch bestimmend für die Hochtemperatureigenschaften. Gläser mit den höheren Erweichungspunkten von 800-1000°C werden aus Gründen des Abbruchs des Elektronenstrahls in der Unterlage bevorzugt.

Hinsichtlich der Dynamik des teilchenförmigen Stoffs der Unterlage können aus den Testdaten Spekulationen angestellt werden. Das Fehlen einer Glasphase bei Verwendung von Calciumcarbonat und die Bildung eines schlechten Lochs führen zu dem Schluß, daß eine Glasschicht erzeugt werden muß, wenn die Unterlage durch den Strahl getroffen wird, um das Loch freizuspülen. Wenn CaCO₃ durch den Elektronenstrahl getroffen wird, dann zersetzt es sich in CO₃-GaS und CaO-Pulver. Da die Zersetzungstempe-, ratur von 825°C um so vieles niedriger ist als der Schmelzpunkt von CaO (^2575⁰C), schmilzt das CaO-Pulver offensichtlich nicht, sondern wird aus dem Loch als feste Teilchen ausgeblasen. Deshalb bildet sich keine glasige oder abgeschreckte geschmolzene keramische Phase im Loch. Dar, Unvorraöqcn von Aluminiumoxid und 7, irconivimox i d , qute

- JA -

Resultate zu ergeben, ist deren niedrigen Viskositäten im Vergleich zu den Al, Mg, Ca, Ba und B enthaltenden Silicaten zuzuschreiben. Dies hat eine anscheinend unzureichende Mitnahme des geschmolzenen Metalls durch die Flüssigkeit der Unterlage zur Folge. Daraus ist zu schließen, daß das teilchenförmige Glas solcher Art sein muß, daß seine flüssige Phase eine Viskosität von mindestens in der Größenordnung von 10 Pä*s aufweist.

Vycor und geschmolzenes Siliciumdioxid ergaben schlechte Resultate, obwohl ihre Viskosität in der Größenordnung von 10 Pa-s liegt. Die schlechten Resultate können anhand von Figur 3 und dem Verhalten der besseren Gläser verstanden werden. Figur 3 ist eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen dem Verdampfungspunkt und dem Schmelzpunkt von verschiedenen Oxidglasbestandteilen einschließlich derjenigen von Gläsern, die in teilchenförmigen Stoffen gemäß der Erfindung verwendet werden, zeigt. Der Einfachheit halber sind Materialien, die beim Verdampfungspunkt sublimieren oder sich zersetzen, ebenfalls eingetragen. Die, interessante Eigenschaft liegt in der Erzeugung gewisser Gase durch die Glasbestandteile der teilchenförmigen Stoffe, wenn sie durch den Strahl getroffen werden. Wie bereits oben erklärt, wird dieses Gas am besten durch einen Niedertemperaturbestandteil gebildet. Bei einer Betrachtung der besseren Gläser der Tabellen 1 und 2 im Hinblick auf Figur 3 ist ersichtlich, daß sie aus Hochtemperatur- und Niedertemperaturbestandteilen bestehen. Beispielsweise enthält E-Glas 54 SiO₂, 14 Al₃O₃, 5 MgO und 18 CaO. Hierbei handelt es sich ausnahmslos um feuerfeste Hochtemperaturmaterialien mit Schmelzpunkten von mehr als ungefähr 1500°C, was durch die Linie T¹ in Figur 3 ausgedrückt ist. Sie besitzen alle auch Siedepunkte von mehr als ungefähr 2000°C, wie dies durch die Linie T in Figur 3 angegeben

ist. Ε-Glas enthält außerdem 8 % B₇O,. Dies ist.ein Niedertemperaturbestandteil, d.h. also ein solcher, der in den Bereich fällt, der durch die Linien T-T¹ und die Achsen der graphischen Darstellung begrenzt ist.

3o können von den Gläsern der Tabelle 2 die Oxide ₂/ Al₂Oj/ MgO, CaO und BaO als Hochtemperaturbestandteile angesehen werden, während die Oxide Na₂O und B₂O₃ als Niedertemperaturbestandteile einzustufen sind. Es ist ersichtlich, daß die Materialien, die sich als am wirksamsten erwiesen, nämlich Pyrex, Ε-Glas, GS-302 und Soda-Kalk-Glas, alle beträchtliche Mengen von mehr als 7 Gew.-% Niedertemperaturbestandteile enthalten.

In dieser Hinsicht sind die experimentellen Ergebnisse besser verständlich. Geschmolzenes Siliciumdioxid und Vycor arbeiteten schlecht, während Pyrex gut arbeitete. Bis zu 2 % Al₂O₃ sind die Eigenschaften der Hochtemperaturbeste.ndteile vergleichbar. Der Unterschied ist, daß Pyrex 17 % Niedertemperaturbestandteile enthält. So ist

zu schließen, daß Vycor und geschmolzenes Siliciumdioxid wegen eines ungenügenden Gehalts an Niedertemperaturbestandteil unwirksam sind. Es muß genug von dem leicht verdampfbaren Niedertemperaturbestandteil anwesend sein, um den flüssigen Hochtemperaturbes.tandteil wirksam durch das Loch zu treiben. Auf dieser Grundlage ist S-Glas schlecht und sollte gemieden werden, obwohl die Viskositäts- und Erweichungspunktkriterien stimmen. Da 1723 nur 4 % Niedertemperaturbestandteile enthält, kann eine geringere Verwendbarkeit vorhergesagt werden, auch wenn die Viskosität des Hochtemperaturbestandteils günstig ist. Glas 7059 ist sicherlich brauchbar, da es 15 % B₂O₃ als Niedertemperaturbestandteil enthält.

Bemerkenswert ist die Verwendbarkeit der Probe E, eine Mischung aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt und einem kristallinen Stoff mit hohem Schmelzpunkt. Basierend auf den allgemeinen analytischen Betrachtungen kann geschlossen werden, daß der Hochtemperaturbestandteil eine feste Phase enthalten kann, d.h., daß das teilchenförmige Glas sich nur teilweise in eine Flüssigkeit verwandelt, vorausgesetzt, das Produkt aus flüssiger und fester Phase besitzt eine Viskosität, die innerhalb des angegebenen Bereichs liegt, nämlich ungefähr 10 Pa-s und darüber. .

Hinsichtlich der Gläser in Tabelle 3 kann vorhergesagt werden, daß sie insgesamt brauchbar sind, da sie beträchtliche Mengen Niedertemperaturbestandteile enthalten. Mögliche Ausnahmen sind 3493 und 3489 mit Niedertemperaturbestandteilen von ungefähr 46-68 %, 'da ihr Hochtemperaturbestandteil nicht ausreicht. Der unterste Grenzwert hierfür wurde nicht bestimmt.

Figur 4 faßt graphisch die Eigenschaften der bevorzugten Gläser zusammen: Niedertemperaturbestandteil von mindestens 7 %, insbesondere 13-17 %, Erweichungspunkt von mehr als 700 C, vorzugsweise mehr als 800 C und insbesondere 800-1000⁰C. Ein weiterer Unterschied hinsichtlich der brauchbaren Gläser kann gemacht werden. Aus Tabelle 2 ist ebenfalls ersichtlich, daß im Unterschied zu Pyrex und Soda-Kalk-Glas .die Hochtemperaturgläser GS-302, 7059 und 1723 alle Zusammensetzungen besitzen, die, ausgedrückt in Gew.-%, mehr als ungefähr 8AI2O.,, 9CaO und 3B₂O., enthalten. Auch im Unterschied zu "S", Vycor und geschmolzenem Siliciumdioxid enthalten diese Gläser beträchtliche Mengen CaO und Β,Ο,. So ■ unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Gläser chemisch deshalb, weil sie CaO und B-O, enthalten, und zwar sowohl allgemein als auch hinsichtlich der genannten Gewichtsprozente.

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Die Erfindung wurde anhand der Verwendung von Oxidgläsern mit Metallen beschrieben. Es gibt jedoch auch andere Glastypen, die beispielsweise auf BeF₂, PO₄, Sulfiden und Strukturen mit Wasserstoffbindungen basieren. Es wird angenommen, daß die hier angegebenen Prinzipien, welche ein gutes Energiestrahlbohren ermöglichen, auch bei anderen Anwendungen mit nicht-silicatischen oder nicht-oxidischen Gläsern herangezogen werden können.

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Claims

Patentansprüche;

1jL Unterlagenmaterial für die Verwendung beim Energiestrahlbohren, enthaltend einen Binder und teilchenförmiges Glas, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Glas mindestens 7 Gew.-% Niedertemperaturbestandteil enthält und im übrigen aus einem Hochtemperaturbestandteil besteht, wobei der Niedertemperaturbestandteil sich teilweise in ein Gas verwandelt und der Hochtemperaturbestandteil sich überwiegend in eine Flüssigkeit verwandelt.
2. Unterlage nach Anspruch 1, welche sich zum Bohren von Metallen wie Nickelsuperlegierungen eignet, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin ein teilchenförmiges Glas mit einem Erweichungspunkt von mindestens 700 C, einen Niedertemperaturbestandteil, der sich bei einer Temperatur von weniger als ungefähr 2OOO°C bei atmosphärischem Druck mindestens teilweise in ein Gas verwandelt, und einen Hochtemperaturbestandteil, der sich bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 1500⁰C zumindest teilweise in eine Flüssigkeit verwandelt, enthält.
3. Unterlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 13-17 % Nieder temper aturbestandte.il enthält.
4. Unterlage nach Anspruch,2, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Glas, aus einem Silicat besteht.
5. Unterlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweichungspunkt mehr als 800⁰C ist.
6. Unterlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweichungspunkt zwischen 800 und 1000 C liegt.
7. Unterlage nach Anspruch, 1/ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des teilchenförmigen flüssigen Glases mindestens ungefähr 10 Pa«s beträgt.
8. Unterlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der·Hochtemperaturbestandteil ein Oxid eines Elements ist, das aus Mg, Al, Ca, Si, Ba und Gemischen davon ausgewählt ist, und daß der Niedertemperaturbestandteil ein Oxid eines Elements ist, das aus B, Na, Li, Pb und Gemischen davon ausgewählt ist.
9. Unterlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Glas die Oxidgläser CaO und B^O.,

enthält.
10. Unterlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Glas, gerechnet in Gew.-%, mindestens ungefähr 8A^Oo, 9CaO und 3B^O- enthält.